JP4237433B2 - Fluid ejector - Google Patents

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  • Micromachines (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気駆動信号を使い、静電始動される装置を駆動するシステム及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明によるシステム及び方法を使用できる、静電始動される装置の1つの種類に、微小加工された流体噴射器が挙げられる。インクジェット記録又は印刷、及び他の目的のために、流体噴射器が開発されてきた。インクジェット記録装置は、記録の際に極めて静かに機能する、高速印刷、インク選択時の広範囲な選択肢、及び低コストの普通の紙を使うことができる、などの、多くの利点を有する。インクが記録に必要な時にのみ出力される「ドロップオンデマンド」(drop-on-demand)と呼ばれる駆動方法が現在では通常の方法となっている。ドロップオンデマンド駆動方法は、記録に不要なインクを回収する必要性をなくす。
【0003】
インクジェット印刷に使われるものを含む流体噴出器は、1つ又はそれ以上のノズルを含み、小さなインク小滴の形成及び制御を可能にし、高解像度を可能にする。この結果、改善されたトナー解像度と共に、より鋭い文字の印刷が可能になる。特に、ドロップオンデマンド方式のインクジェット印刷ヘッドは、高解像度プリンタに一般的に使われている。
【0004】
ドロップオンデマンド技術は一般的に、小滴を形成し噴出するために、なんらかの種類のパルス発生器を使う。例えば、1つの種類の印刷ヘッドでは、インクノズルを有する小室が、電圧印加時に変形する圧電性の壁に取り付けられてもよい。変形の結果、流体が、ノズルオリフィスから小滴として押し出される。小滴は次に、関連する印刷表面に直接当たる。このような圧電性装置を駆動装置として使う例は、特公平2−51734(JP B-1990-51734)号公報に示される。
【0005】
もう1つの種類の印刷ヘッドは、熱パルスによって形成された泡を使い、流体をノズルから外へ押し出す。泡がつぶれた時に、小滴がインク供給源から分離される。インクの加熱によって発生した圧力を使い泡を発生させることは、特公昭61−59911(JP B-1986-59911)号公報に記載されている。
【0006】
更にもう1つの種類のドロップオンデマンド方式の印刷ヘッドは、静電的アクチュエータを組入れる。この種類の印刷ヘッドは、インクを噴射するために静電力を使う。このような静電印刷ヘッドの例は、クロール(Kroll)への米国特許第4,520,375号及び特開平02−289351号公報に記載されている。米国特許第4,520,375号特許に記載されているインクジェットヘッドは、インク噴射小室の一部を構成する振動板(diaphragm)と、インク噴射小室外部の該振動板と対向する位置に配置されたベースプレートと、を含む静電アクチュエータを使う。インクジェットヘッドは、振動板とベースプレートとの間に時間で変動する電圧を印加することにより、インク噴射小室(チェンバ)と連絡するノズルを通じて、インク小滴を噴射する。よって、振動板及びベースプレートは、コンデンサとして機能し、これにより、振動板を機械的な運動へ設定し、振動板の動きに応答して流体が出るようにする。
【0007】
一方、日本の特開平02−289351号公報に記載のインクジェットヘッドは、振動板に固定された静電アクチュエータに電圧を印加することにより、振動板を曲げる。この結果、インク噴射小室へとインクが吸引される。一旦電圧が取り除かれると、振動板は曲げられる前の状態に戻され、インクが過度に充填された噴射小室からインクが噴射される。
【0008】
流体小摘噴射器は、印刷のためのみでなく、半導体及び平面パネル表示業界でのフォトレジスト及び他の液体の蒸着(deposition)、薬品及び生体的サンプルの配送、化学反応のための複数の化学物質の配送、DNA配列の取扱い、相互作用研究及び分析のための薬品及び生体的物質の配送、及び超微小機械での永久及び/又は交換可能ガスケットとして使用可能なプラスチックの薄く細い層の蒸着、などの目的に使うことができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従電気駆動方法では、近年の要求品質に対し今一歩であった。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、静電的に駆動される装置の効率的な始動を可能にするシステム及び方法を提供する。また、本発明は、駆動部材と静止部材とを有する静電始動される装置と、前記駆動部材に二極性駆動信号を印加し、前記駆動部材と前記静止部材との間に一定の電位差を有する静電場を発生させる駆動振動源と、を有する静電始動される装置を電気的に駆動させるシステムを備えた流体噴射器であって、前記駆動部材の押圧面に対向するように前記静止部材に噴射器ノズルが形成され、前記駆動部材の両端は、基板に接続された2つ以上のばね構造要素によってそれぞれ支持され、前記駆動振動源によって前記静止部材をグランド電位に保ちつつ二極性駆動信号が前記駆動部材に印加されることによって、前記駆動部材が前記静止部材に向かって移動し、前記駆動部材と前記静止部材との間に存在する流体を前記噴射器ノズルより噴霧させる流体噴射器を提供する。
【0011】
本発明はまた、一定の電場力を使い静電的に始動するシステム及び方法を提供する。
【0012】
本発明はまた、静電始動される流体噴射器のために、増加した噴射力を発生させるシステム及び方法を提供する。
【0013】
本発明はまた、潜在的な電気化学反応が低減された静電始動システム及び方法を提供する。
【0014】
本発明はまた、電導率損失が低減された静電始動システム及び方法を提供する。
【0015】
本発明はまた、絶縁破壊の可能性が低減された静電始動システム及び方法を提供する。
【0016】
本発明はまた、静電的に始動される流体噴射器における、「オンデマンド」方式の小摘サイズの変更のためのシステム及び方法を提供する。
【0017】
本発明によるシステム及び方法の様々な例示実施形態によれば、電場が一定の力を有するように、静電始動される装置に駆動信号が印加される。様々な例示実施形態では、駆動信号は、定電流源によって印加されてもよい。この代わりに、様々な他の例示実施形態では、駆動信号は、その存在期間中に低減されてもよい。
【0018】
本発明によるシステム及び方法の様々な例示実施形態によれば、静電始動される装置が、電気化学反応の潜在的な効果を低減するような速度で駆動される。
【0019】
本発明によるシステム及び方法の様々な実施形態によれば、電気化学反応の潜在的な効果を低減するように、二極性駆動信号が、静電始動される装置に印加される。
【0020】
本発明によるシステム及び方法の様々な実施形態によれば、電気化学反応又は電気的破壊又はその両方の可能性が低減されるよう、適切な高い周波数を有する駆動信号が、静電始動される装置に印加される。
【0021】
本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、後述する本発明によるシステム及び方法の様々な例示実施形態の詳細な説明に記載されている又は詳細な説明から明らかになるであろう。
【0022】
本発明のシステム及び方法の様々な例示実施形態を、添付する図面を参照して詳しく下に示す。
【0023】
【発明の実施の形態】
しかしながら、本発明のシステム及び方法は、下で論議される流体噴射器の特定の実施形態や一般的な流体噴射器以外の広い範囲の装置に適用できることを理解すべきである。
【0024】
本発明によるシステム及び方法の例示実施形態では、電場が定力を有するように、静電始動される装置に駆動信号が印加される。例えば、静電始動される流体噴射器では、ピストンと、ノズル穴を有するフェースプレートとの一方に駆動信号が印加される。噴射される誘電性流体は、ピストンとフェースプレートとの間に供給される。駆動信号は、ピストンとフェースプレートの間に、流体を横切る電場を発生させる。電場は、ピストンを静電的にフェースプレートに向かって引き、これにより流体のジェット又は小摘がフェースプレートのノズル穴を通じて噴射される。電場は、駆動信号が定電流源からのものであるか、駆動信号が、1つの駆動パルスの間に低減されている場合に、定力を有する。
【0025】
本発明のシステム及び方法の様々な実施形態では、二極性駆動信号が使われる。よって、様々な実施形態において、電気化学反応の可能性を低減するために、所望の周波数の二極性パルス列が印加される。二極性駆動信号は、電極表面の電位を、周期的に反転するようにする。この反転により、駆動信号が印加されている時間の一部では、電極が陽極として機能し、駆動信号が印加されている時間の一部では、電極が陰極として機能する。陽極での反応と陰極での反応は、異なる電気化学生成物を生じるため、特定の電気化学生成物の濃度は、対応する反応を中断し電気化学生成物の流体への拡散を可能にすることにより、低減される。これにより、流体内の電気化学反応生成物のいずれかの飽和濃度限界を超える可能性を低減する。上述のように、いずれかの電気化学反応の飽和濃度限界を超えた場合、気体凝集及び泡形成のための十分な熱力学的駆動力が存在する。
【0026】
電気化学反応は、駆動静電場が印加される時間の量を低減することによっても最小化できる。本発明のシステム及び方法の様々な実施形態では、流体噴射器を駆動するために必要な時間が減らされ、これにより、電気化学反応が起きるための時間が低減される。よって、望まれない泡の形成が低減される。すなわち、望まれない泡の形成量は、駆動静電場が印加されている時間の量に比例する。よって、駆動信号の長さを低減することにより、発生する電気化学反応が少なくなる。
【0027】
様々な例示実施形態では、適切な高い周波数の駆動信号を使うことにより、電気化学反応又は電気的破壊又はその両方の可能性を低減する。流体の絶縁破壊及び電気化学的破壊の閾値は、印加される信号の周波数に関連することが実験によって示されている。より高い周波数の信号は、流体の絶縁破壊が起きる閾値を高める。例えば、特定の水性流体の場合、信号の周波数を10倍に増加させることにより、絶縁破壊の閾値が、2より大きい倍率で増加できる。また、より高い周波数の信号を使うことにより、例えば、水の電気分解などの、流体内での望まれない電気化学反応を低減することを助ける。
【0028】
水の電気分解は、理想条件下では、極性を与えられた2つのプレート間に印加された電圧が、1.23V程度に低い場合でも生じる。陰極反応が、相対的により負の電位にバイアスされた又は固定された電極において生じ、水素ガスが生成される。陽極反応が、相対的により正の電位にバイアスされた又は固定された電極において生じ、酸素ガスが生成される。よって、電気分解は、気体の放散及び電極の部分的な減極の可能性を導入する。
【0029】
例えば、流体の水素又は酸素のいずれかの臨界飽和量を超えた場合、流体噴射器内に気体の泡が凝集し増大する場合がある。気体の泡は、流体噴射器からの小摘噴射の力学に影響を与える。流体内の小さな泡は不安定でありつぶれるため、キャビテーション(cavitation)によって、局地的に比較的多量のエネルギーを開放する。これは、流体噴射器内のポリシリコン構成要素の点食などの侵食につながる場合がある。これはまた、電極消極を引き起こす場合があり、この結果、低い定常状態電位が電極に印加され、静電場が低減される場合がある。電流が電気分解反応によって引きだされるため、所望の静電場を保持するために、増加した相殺電流が必要とされる。よって、流体噴射器の効率が減らされる。一方、大きい泡は、ノズル又は複数のノズルから流体を離れるように移動させる又は流体噴射器の流体力学に悪影響を与えることにより、実際に小摘の噴射を妨げる場合がある。同様に、大きな泡は、流体の補充に悪影響を及ぼす場合がある。大きな泡の存在はまた、流体破壊電場の強さを、流体の小摘を噴射するために必要な強さよりも低くしてしまう危険性も伴う。
【0030】
他の電気化学反応もまた、可能であり、同様の結果を伴う。例えば、有機金属を含む、錯体化(complexed)又はキレート化(chelated)された金属カチオンを含むインクの染料分子は、微小加工された流体噴射器を駆動するために典型的に必要とされる電位において、電気化学還元又は酸化化学を示す。電気化学的に活性であるものとして知られる有機化合物は、例えば、炭化水素、ハロゲン化した炭化水素、ニトロ、アミン、飽和カルボニル、不飽和カルボニル、カルボキシレート、フェノール類の化合物、水酸基、硫化物、チオカルボニル、及び複素環式化合物を含む。流体が、高い濃度の、上述の添加物のような添加物を有する場合、電気重合が生じる場合があり、この場合、流体噴射器の内部表面が、重合された物質によって被覆される。
【0031】
図1に、静電始動流体噴射器100の実施形態を、例としてのみ示す。静電始動流体噴射器100は、密閉されていないピストン120を有し、該ピストン120は、ピストン120の一方の側において基板110に接続されている1つ又はそれ以上のばね構成要素122によって支持されている。少なくとも1つの噴射器ノズル142を有するフェースプレート140が、ピストン120の他方の側に形成されている。流体バス130が、フェースプレート140と基板110との間に配置されている。流体バス130は、基板110に形成された流体供給口112を通じて流体供給源(図示せず)と連絡する。
【0032】
静電始動流体噴射器100は、駆動信号源150からの駆動信号152が印加され、ピストン120とフェースプレート140との間に流体バス130内の流体を横切って静電場Eが発生した時に、静電的に始動される。例えば、フェースプレート140をグランド電位に保ちつつ、ピストン120に電圧を印加することができる。フェースプレート140とピストン120との間のこの電位差が、流体バス130内の流体を横切る静電場Eを発生させる。静電場Eは、ピストン120をフェースプレート140に向けて引く静電引力を発生させる。ピストン120の移動により、小摘132が、噴射器ノズル142から押し出される。
【0033】
駆動信号152は、流体の絶縁破壊の許容範囲(latitude)を増加させるために使われてもよい。流体噴射器などの、超小型電気機械システム(MEMS)又は微小加工された装置では典型的な、非常に小さな寸法の領域では、流体の絶縁破壊の強さは、破壊に重要な寸法が小さくなるにしたがって大きくなる。この性質は、考慮される流体に依存する。以下の説明では、本発明によるシステム及び方法の説明を簡略化するために、絶縁破壊の強さは、考慮される寸法を通じて一定であると仮定される。
【0034】
駆動信号152はまた、噴射器がピストン120の代わりに振動板を有する場合に、電極に印加されてもよい。誘電性流体は、電極と振動板の間に含まれる。
【0035】
実際には、いずれの場合においても、ピストン120又は振動板に電力を供給するために使われ、小摘132を静電始動流体噴射器100から外に押しやるために使われる特定の駆動信号152は、このタスクに効果的ないずれの信号であってもよい。しかしながら、一定の強さの電場は、特に電場の強さが最大値である時に、流体の絶縁破壊なしに、装置の性能を改善することを助ける。様々な実施形態では、本発明のシステム及び方法は、印加電圧を直接低減することにより、又は静電始動流体噴射器100を定電流源によって駆動することにより、一定の強さの電場を提供する。
【0036】
図2に、ピストン120又は振動板を曲げ、小摘132を生成するために使用できる駆動信号152の質的な例を示す。このような駆動信号は、フェースプレート140とピストン120との間の距離又は振動板と電極との間の距離が低減されるにつれて、ピストン120とフェースプレート140との間の間隙又は振動板と電極との間の間隙を横切る定電場Eを生成する。一定の電場Eは、小摘132を噴射器ノズル142の外に押しやる又は振動板の「打金を起こす(cock)」ために必要な時間の長さだけ印加される。次に、ばね構成要素122がピストン120をその停止位置に戻すことを可能にするため、又は振動板の弾力性ばね力が振動板を曲げられる前の位置に戻すことを可能にするために、電場Eが遮断される。本発明による方法の本質は、ピストン120の噴射運動又は振動板の「打金を起こす」運動を通じて、一定の電場Eを保持することである。
【0037】
本発明によるシステム及び方法の様々な実施形態では、ピストン/振動板の移動量又は曲げの関数と共に変化する印加電圧を使い、ピストン120又は振動板を、誘電性流体の破壊電場の強さより低い強さを有する一定の電場Eで駆動してもよい。図3に示すように、位置センサ160又はピストン/振動板の移動量又は曲げ量を検出できる他の検知機構を備える閉鎖ループ制御を用いてもよい。よって、例えば、光に基づく干渉計、光学センサ、又は容量センサなどの、既知又は後に開発される検知機構のいずれを使ってもよい。フィードバック機構170が設けられ、位置センサ160からの情報を、別個の制御機構180又は駆動信号源150自体に連絡し、これにより、フェースプレート140とピストン120との間の距離又は振動板と電極との距離の関数として駆動信号152が制御される又は直接変更される。
【0038】
図4に示すように、適切なタイミング制御190によって、図3の位置センサ160を置き換え、開いたループの制御を提供してもよい。よって、駆動信号152は、時間に基づく関数によって制御される又は距離から間接的に変更される。タイミング制御190はよって、流体噴射器100の特定の設計における実際の性能特性に基づき、時間で変動する駆動信号を提供する。タイミング制御190は、別個の構成要素として示されるが、タイミング制御190を駆動信号源自体に組込むこともできることを理解されたい。
【0039】
絶縁破壊の強さが、破壊に重要な寸法が変化するにしたがって変化する流体の場合、駆動信号152は、可能な限り最大の強さの電場Eを保持するよう、適切に調整されてもよい。すなわち、電気的破壊又は他の電気化学反応が誘電性流体内で発生する可能性を最小限にするために、駆動信号152は、ある特定の特性を有するよう調整されてもよい。第1に、静電始動装置が、適切な速度で駆動されてもよい。第2に、駆動信号が、適切な長さの時間だけ印加されてもよい。第3に、駆動信号が二極性信号であってもよい。第4に、駆動信号が適切に高い周波数で振動してもよい。
【0040】
静電的に始動される装置は、発生する電気化学反応が拡散し、これらの電気化学反応による悪影響を低減する又は回避することを可能にする速度で駆動できる。例えば、流体噴射器の場合、最大の小摘噴射速度は、約40kHzである。よって、流体噴射器の流体補充速度によって、電気化学反応の悪影響を低減しつつ、流体の小摘を、25μsごとに噴射できる。
【0041】
駆動信号をより短い長さの時間印加することにより、潜在的な電気化学反応が低減される。例えば、電圧が短い時間印加された場合、印加電圧の結果として生じる電気化学反応は、発生するための時間が短い。例えば、流体噴射器では、流体の小摘を噴射するために必要な時間の最小の量は、約4μsである。
【0042】
所望の周波数を有する二極性パルス列を、駆動信号152のために使うこともできる。例示波形を図5に示す。電気化学動力学の性質により、上述のように、電気化学反応の可能性を最小限にするために二極性電圧を印加してもよい。二極性パルス列の効果の大きさは、使われる特定の流体に依存する。
【0043】
流体の電気的破壊閾値は周波数に関連することが、実験によって示されている。より詳しくは、高い周波数の信号は、信号の極性を急速に反転し、各極性における電気化学反応に有用な時間を低減することにより、絶縁破壊が起きる閾値を高める。破壊の強さと駆動信号周波数との実際の関係は、考慮される特定の流体に依存する。例えば、流体噴射器では、駆動信号が印加される約4μsの間、二極性パルスは、約0.2μsごとに切り替えられてもよい。
【0044】
有利なことに、二極性パルス列は、電場Eの存在によって加えられる力が電場の大きさの二乗に依存するため、装置動作に影響を及ぼさない。図6に、図5の二極性パルス列によって発生する、一定の強さの電場を例示する。
【0045】
駆動信号を作り出すために使われる電子機器は、複数の流体噴射器又は流体噴射器のアレイを備える印刷ヘッドハウジングから機械的に離された、プリント配線基板上に組込まれてもよい。このような場合、プリント配線基板から各流体噴射器への個々の電気リード線を供給する必要がある。図7は、この方法を用いた、プリントヘッドアセンブリ1000の1つの実施形態を例示する平面図である。13個の流体噴射器1100が中央に示される。各流体噴射器1100は、ばね構成要素1122を有するピストン1120を備える。印刷ヘッドアセンブリ1000の縁にある複数の結合パッド1300からの電気トレース1200により、個々のピストン1120の各々に、ばね構成要素1122を介して、絶縁された電気経路が設けられる。もちろん、印刷ヘッドアセンブリ1000は、図示目的のためのみである。図示するものとは異なる数の行及び列を有する、異なるサイズのアレイなどを含む、多くの変更が可能である。
【0046】
しかしながら、このような方法では、実装密度(packing density)が制限される。例えば、最小サイズ及び空間の制約などの、結合パッド1300の実施を支配する設計ルールが存在するため、最大実装密度は、その大部分が、個々の流体噴射器1100への結合バッド接続の形状によって決定される。これが、作り出すことのできるアレイのサイズの実質上の制限となる場合がある。
【0047】
代替方法としては、2Dマトリクスアドレス技法を用いる方法があり、これを図8に示す。この方法では、列C1及びC2ごとに1つの電子「入力」経路が存在し、行R1、R2、R3、及びR4ごとに1つの電子「出力」経路が存在する。各流体噴射器1100は、アドレスされる特定の列及び行によって制御される。この方法は、実質上、結合パッド実装密度を半分にし、これにより、前述の方法における制限が大幅に緩和される。
【0048】
第3の代替方法は、必要な制御電子機器の主要部分を、プリント配線基板ではなく、印刷ヘッドに組込む方法である。このような装置をシリコンに基づく製造技法によって組み立てる場合、電子機器は、サンディア国立研究所(Sandia National Lab)のIMEMS処理などの一体化された処理によって、印刷ヘッドと同一のシリコンチップ上に作製できる。IMEMS処理は、ファリーノ等(Farino et al.)への米国特許第5,783,340号や、モンタギュー等(Montague et al.)への米国特許第5,798,283号や、バロン等(Barron et al.)への米国特許第5,919,548号や、バロン等への米国特許第5,963,788号などに記載されており、これらの文献全体をここに参照し組入れる。この場合、個々の流体噴射器1100のアドレス及び開始(firing)を制御するための電子機器がシリコンのベースに内蔵されているため、外部プリント配線基板上に存在する機能を制御するための接続の数が最小限でよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によって静電駆動される単一の流体噴射器の実施形態を例示する断面図である。
【図2】 本発明による駆動信号の例を質的に示すグラフである。
【図3】 位置センサを含む、本発明による単一の流体噴射器の実施形態を例示する断面図である。
【図4】 タイミング機構を含む本発明による単一の流体噴射器の実施形態を例示する断面図である。
【図5】 本発明による駆動信号の二極性パルス列の波形を例示するグラフである。
【図6】 図5の二極性パルス列によって生じる一定の強さの電場を質的に例示するグラフである。
【図7】 本発明と共に使用可能な印刷ヘッドアセンブリの実施形態を例示する平面図である。
【図8】 本発明と共に使う2Dマトリクスアドレス技法を示す図である。
【符号の説明】
100 流体噴射器、110 基板、112 流体供給口、120 ピストン、122 ばね構成要素、130 流体バス、132 小摘、140 フェースプレート、142 噴射ノズル、150 駆動信号源、152 駆動信号、160 センサ、170 フィードバック機構、180 制御機構、190 タイミング制御。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to systems and methods for driving electrostatically activated devices using electrical drive signals.
[0002]
[Prior art]
One type of electrostatically triggered device that can use the system and method according to the present invention includes a micromachined fluid ejector. Fluid ejectors have been developed for ink jet recording or printing and other purposes. Inkjet recording devices have many advantages, such as high speed printing, a wide range of choices for ink selection, and the ability to use low cost plain paper that works extremely quietly during recording. A driving method called “drop-on-demand”, which is output only when ink is necessary for recording, is now a normal method. The drop-on-demand driving method eliminates the need to collect ink unnecessary for recording.
[0003]
Fluid ejectors, including those used for ink jet printing, include one or more nozzles, allowing the formation and control of small ink droplets and allowing high resolution. As a result, it is possible to print sharper characters with improved toner resolution. In particular, drop-on-demand ink jet print heads are commonly used in high resolution printers.
[0004]
Drop-on-demand techniques typically use some kind of pulse generator to form and eject droplets. For example, in one type of print head, a chamber having ink nozzles may be attached to a piezoelectric wall that deforms when a voltage is applied. As a result of the deformation, the fluid is pushed out as a droplet from the nozzle orifice. The droplet then strikes the relevant printing surface directly. An example of using such a piezoelectric device as a driving device is disclosed in Japanese Patent Publication No. 2-51734 (JP B-1990-51734).
[0005]
Another type of print head uses bubbles formed by heat pulses to push fluid out of the nozzle. When the bubble collapses, the droplet is separated from the ink source. Japanese Patent Publication No. 61-59911 (JP B-1986-59911) discloses that bubbles are generated using pressure generated by heating ink.
[0006]
Yet another type of drop-on-demand printhead incorporates an electrostatic actuator. This type of printhead uses electrostatic forces to eject ink. Examples of such electrostatic printing heads are described in U.S. Pat. No. 4,520,375 to Kroll and JP-A-02-289351. An ink jet head described in US Pat. No. 4,520,375 is arranged at a position facing a diaphragm (diaphragm) constituting a part of an ink ejection chamber and the diaphragm outside the ink ejection chamber. And an electrostatic actuator including a base plate. The ink jet head ejects ink droplets through nozzles communicating with an ink ejection chamber (chamber) by applying a voltage that varies with time between the vibration plate and the base plate. Thus, the diaphragm and base plate function as capacitors, thereby setting the diaphragm to mechanical motion and allowing fluid to exit in response to the movement of the diaphragm.
[0007]
On the other hand, the ink jet head described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 02-289351 bends a diaphragm by applying a voltage to an electrostatic actuator fixed to the diaphragm. As a result, ink is sucked into the ink ejection chamber. Once the voltage is removed, the diaphragm is returned to its pre-bent state and ink is ejected from an ejection chamber that is overfilled with ink.
[0008]
Fluid picking ejectors are not only for printing, but also for multiple chemistry for photoresist and other liquid deposition, chemical and biological sample delivery, chemical reactions in the semiconductor and flat panel display industry Material delivery, DNA sequence handling, drug and biological material delivery for interaction studies and analysis, and deposition of thin thin layers of plastic that can be used as permanent and / or replaceable gaskets in micromachines Can be used for purposes such as
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the sub-electric drive method is just one step away from the recent required quality.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a system and method that enables efficient starting of electrostatically driven devices. The present invention also provides a device which is electrostatically start having a driving member and a stationary member, applying a bipolar driving signal to the driving member, a constant potential difference between the stationary member and the drive member A fluid ejector having a drive vibration source for generating an electrostatic field, and a system for electrically driving an electrostatically-started device, the stationary member facing the pressing surface of the drive member An injector nozzle is formed at each end of the drive member, and both ends of the drive member are supported by two or more spring structural elements connected to a substrate, respectively, and a bipolar drive signal is maintained while the stationary member is kept at ground potential by the drive vibration source Is applied to the driving member, the driving member moves toward the stationary member, and the fluid existing between the driving member and the stationary member is sprayed from the injector nozzle. Providing a body injector.
[0011]
The present invention also provides a system and method for electrostatic starting using a constant electric field force.
[0012]
The present invention also provides a system and method for generating increased ejection force for electrostatically initiated fluid ejectors.
[0013]
The present invention also provides an electrostatic starting system and method with reduced potential electrochemical reactions.
[0014]
The present invention also provides an electrostatic starting system and method with reduced conductivity losses.
[0015]
The present invention also provides an electrostatic starting system and method with reduced potential for breakdown.
[0016]
The present invention also provides a system and method for changing the size of the “on-demand” mode of picking in an electrostatically triggered fluid ejector.
[0017]
According to various exemplary embodiments of the system and method according to the present invention, a drive signal is applied to the electrostatically activated device so that the electric field has a constant force. In various exemplary embodiments, the drive signal may be applied by a constant current source. Alternatively, in various other exemplary embodiments, the drive signal may be reduced during its presence.
[0018]
According to various exemplary embodiments of the system and method according to the present invention, the electrostatically initiated device is driven at a speed that reduces the potential effects of electrochemical reactions.
[0019]
According to various embodiments of the system and method according to the present invention, a bipolar drive signal is applied to the electrostatically triggered device so as to reduce the potential effects of electrochemical reactions.
[0020]
According to various embodiments of the system and method according to the present invention, a drive signal having an appropriately high frequency is electrostatically triggered so that the potential for electrochemical reaction and / or electrical breakdown is reduced. To be applied.
[0021]
These and other features and advantages of the present invention are described in, or will be apparent from, the following detailed description of various exemplary embodiments of the systems and methods according to the present invention.
[0022]
Various exemplary embodiments of the systems and methods of the present invention are illustrated in detail below with reference to the accompanying drawings.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
However, it should be understood that the systems and methods of the present invention are applicable to a wide range of devices other than the specific embodiments of fluid ejectors discussed below and general fluid ejectors.
[0024]
In an exemplary embodiment of the system and method according to the present invention, a drive signal is applied to a device that is electrostatically started so that the electric field has a constant force. For example, in a fluid ejector that is electrostatically started, a drive signal is applied to one of a piston and a face plate having a nozzle hole. The injected dielectric fluid is supplied between the piston and the face plate. The drive signal generates an electric field across the fluid between the piston and the faceplate. The electric field electrostatically pulls the piston towards the faceplate, thereby jetting a fluid jet or pinch through the nozzle holes in the faceplate. The electric field has a constant force when the drive signal is from a constant current source or when the drive signal is reduced during one drive pulse.
[0025]
In various embodiments of the systems and methods of the present invention, bipolar drive signals are used. Thus, in various embodiments, a bipolar pulse train of a desired frequency is applied to reduce the possibility of electrochemical reactions. The bipolar drive signal causes the potential on the electrode surface to be periodically reversed. By this inversion, the electrode functions as an anode during a part of the time during which the drive signal is applied, and the electrode functions as a cathode during a part of the time during which the drive signal is applied. Since the reaction at the anode and the reaction at the cathode produce different electrochemical products, the concentration of a particular electrochemical product should interrupt the corresponding reaction and allow the electrochemical product to diffuse into the fluid. Is reduced. This reduces the possibility of exceeding any saturation concentration limit of the electrochemical reaction product in the fluid. As mentioned above, when the saturation concentration limit of any electrochemical reaction is exceeded, there is sufficient thermodynamic driving force for gas aggregation and bubble formation.
[0026]
Electrochemical reactions can also be minimized by reducing the amount of time that the driving electrostatic field is applied. In various embodiments of the systems and methods of the present invention, the time required to drive a fluid ejector is reduced, thereby reducing the time for an electrochemical reaction to occur. Thus, unwanted foam formation is reduced. That is, the amount of unwanted foam formation is proportional to the amount of time that the drive electrostatic field is applied. Therefore, reducing the length of the drive signal reduces the electrochemical reaction that occurs.
[0027]
In various exemplary embodiments, the use of a suitable high frequency drive signal reduces the possibility of electrochemical reactions and / or electrical breakdown. Experiments have shown that the thresholds for fluid breakdown and electrochemical breakdown are related to the frequency of the applied signal. Higher frequency signals increase the threshold at which fluid breakdown occurs. For example, for certain aqueous fluids, the breakdown threshold can be increased by a factor greater than 2 by increasing the frequency of the signal by a factor of 10. The use of higher frequency signals also helps to reduce unwanted electrochemical reactions in the fluid, such as water electrolysis.
[0028]
Water electrolysis occurs under ideal conditions even when the voltage applied between two polar plates is as low as 1.23V. A cathodic reaction occurs at an electrode that is biased or fixed at a relatively more negative potential, producing hydrogen gas. An anodic reaction occurs at an electrode that is biased or fixed at a relatively more positive potential, producing oxygen gas. Thus, electrolysis introduces the possibility of gas dissipation and partial depolarization of the electrode.
[0029]
For example, if the critical saturation amount of either hydrogen or oxygen in the fluid is exceeded, gas bubbles may aggregate and increase in the fluid ejector. Gaseous bubbles affect the dynamics of micropumping from a fluid ejector. Small bubbles in the fluid are unstable and collapse, so that a relatively large amount of energy is released locally by cavitation. This can lead to erosion, such as pitting of polysilicon components in the fluid ejector. This may also cause electrode depolarization, which results in a low steady state potential being applied to the electrode and the electrostatic field being reduced. Since current is drawn by the electrolysis reaction, an increased canceling current is required to maintain the desired electrostatic field. Thus, the efficiency of the fluid ejector is reduced. On the other hand, large bubbles may actually hinder small shot injection by moving fluid away from the nozzle or nozzles or adversely affecting the fluid mechanics of the fluid ejector. Similarly, large bubbles can adversely affect fluid replenishment. The presence of large bubbles is also associated with the risk of reducing the strength of the fluid breaking electric field below that required to eject a small drop of fluid.
[0030]
Other electrochemical reactions are also possible with similar results. For example, the dye molecules of an ink containing a complexed or chelated metal cation, including an organometallic, are typically required to drive a microfabricated fluid ejector. Shows electrochemical reduction or oxidation chemistry. Organic compounds known to be electrochemically active include, for example, hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, nitro, amines, saturated carbonyls, unsaturated carbonyls, carboxylates, phenolic compounds, hydroxyl groups, sulfides, Including thiocarbonyl and heterocyclic compounds. If the fluid has a high concentration of additives, such as those described above, electropolymerization may occur, in which case the internal surface of the fluid ejector is coated with the polymerized material.
[0031]
In FIG. 1, an embodiment of an electrostatic starting fluid ejector 100 is shown by way of example only. The electrostatic starter fluid ejector 100 has an unsealed piston 120 that is supported by one or more spring components 122 connected to the substrate 110 on one side of the piston 120. Has been. A face plate 140 having at least one injector nozzle 142 is formed on the other side of the piston 120. A fluid bath 130 is disposed between the face plate 140 and the substrate 110. The fluid bus 130 communicates with a fluid supply source (not shown) through a fluid supply port 112 formed in the substrate 110.
[0032]
The electrostatic starter fluid ejector 100 is applied with a drive signal 152 from a drive signal source 150, and when an electrostatic field E is generated across the fluid in the fluid bus 130 between the piston 120 and the face plate 140. It is started electronically. For example, a voltage can be applied to the piston 120 while keeping the face plate 140 at the ground potential. This potential difference between the face plate 140 and the piston 120 generates an electrostatic field E across the fluid in the fluid bath 130. The electrostatic field E generates an electrostatic attractive force that pulls the piston 120 toward the face plate 140. Due to the movement of the piston 120, the small knob 132 is pushed out of the injector nozzle 142.
[0033]
The drive signal 152 may be used to increase the latitude of fluid breakdown. In very small dimensional areas typical of micro-electromechanical systems (MEMS) or microfabricated devices, such as fluid ejectors, the strength of fluid breakdown is reduced by dimensions critical to failure. It grows according to. This property depends on the fluid considered. In the following description, in order to simplify the description of the system and method according to the present invention, it is assumed that the breakdown strength is constant throughout the dimensions considered.
[0034]
The drive signal 152 may also be applied to the electrode when the injector has a diaphragm instead of the piston 120. A dielectric fluid is contained between the electrode and the diaphragm.
[0035]
In practice, in any case, the specific drive signal 152 used to power the piston 120 or diaphragm and used to push the knob 132 out of the electrostatic starting fluid ejector 100 is Any signal that is effective for this task can be used. However, a constant strength electric field helps to improve the performance of the device without fluid breakdown, especially when the electric field strength is at a maximum. In various embodiments, the systems and methods of the present invention provide a constant strength electric field by directly reducing the applied voltage or by driving the electrostatic starting fluid ejector 100 with a constant current source. .
[0036]
FIG. 2 shows a qualitative example of the drive signal 152 that can be used to bend the piston 120 or the diaphragm and generate the nodule 132. Such a drive signal is generated by the gap between the piston 120 and the face plate 140 or the diaphragm and electrode as the distance between the face plate 140 and the piston 120 or the distance between the diaphragm and the electrode is reduced. A constant electric field E is generated across the gap between the two. The constant electric field E is applied for the length of time necessary to push the knob 132 out of the injector nozzle 142 or to “cock” the diaphragm. Next, in order to allow the spring component 122 to return the piston 120 to its stop position, or to allow the resilient spring force of the diaphragm to return to a position before the diaphragm is bent. The electric field E is cut off. The essence of the method according to the invention is to maintain a constant electric field E through the injection movement of the piston 120 or the “triggering” movement of the diaphragm.
[0037]
In various embodiments of the system and method according to the present invention, an applied voltage that varies with the piston / diaphragm travel or bending function is used to force the piston 120 or diaphragm to a strength lower than the strength of the dielectric breakdown field. You may drive by the fixed electric field E which has thickness. As shown in FIG. 3, closed loop control with a position sensor 160 or other sensing mechanism capable of detecting the amount of movement or bending of the piston / diaphragm may be used. Thus, any known or later developed sensing mechanism may be used, for example, a light-based interferometer, optical sensor, or capacitive sensor. A feedback mechanism 170 is provided to communicate information from the position sensor 160 to a separate control mechanism 180 or drive signal source 150 itself, thereby providing a distance between the face plate 140 and the piston 120 or the diaphragm and electrode. The drive signal 152 is controlled or changed directly as a function of the distance.
[0038]
As shown in FIG. 4, the appropriate timing control 190 may replace the position sensor 160 of FIG. 3 to provide open loop control. Thus, the drive signal 152 is controlled by a time based function or indirectly changed from the distance. Timing control 190 thus provides a time-varying drive signal based on actual performance characteristics in a particular design of fluid ejector 100. Although the timing control 190 is shown as a separate component, it should be understood that the timing control 190 can be incorporated into the drive signal source itself.
[0039]
For fluids where the breakdown strength changes as dimensions critical to breakdown change, the drive signal 152 may be appropriately adjusted to maintain the maximum possible electric field E. . That is, the drive signal 152 may be tuned to have certain characteristics in order to minimize the possibility of electrical breakdown or other electrochemical reactions occurring in the dielectric fluid. First, the electrostatic starter may be driven at a suitable speed. Second, the drive signal may be applied for an appropriate length of time. Third, the drive signal may be a bipolar signal. Fourth, the drive signal may vibrate at a suitably high frequency.
[0040]
Electrostatically initiated devices can be driven at a rate that allows the electrochemical reactions that occur to diffuse and reduce or avoid the adverse effects of these electrochemical reactions. For example, in the case of a fluid ejector, the maximum pinnacle ejection speed is about 40 kHz. Therefore, a small amount of fluid can be ejected every 25 μs while reducing the adverse effect of the electrochemical reaction by the fluid replenishment speed of the fluid ejector.
[0041]
By applying the drive signal for a shorter length of time, potential electrochemical reactions are reduced. For example, if the voltage is applied for a short time, the electrochemical reaction that occurs as a result of the applied voltage has a short time to occur. For example, in a fluid ejector, the minimum amount of time required to eject a small drop of fluid is about 4 μs.
[0042]
A bipolar pulse train having a desired frequency can also be used for the drive signal 152. An exemplary waveform is shown in FIG. Depending on the nature of the electrochemical kinetics, as described above, a bipolar voltage may be applied to minimize the possibility of electrochemical reactions. The magnitude of the effect of the bipolar pulse train depends on the particular fluid used.
[0043]
Experiments have shown that the electrical breakdown threshold of a fluid is related to frequency. More particularly, high frequency signals increase the threshold at which dielectric breakdown occurs by rapidly reversing the polarity of the signal and reducing the time useful for electrochemical reactions at each polarity. The actual relationship between breakdown strength and drive signal frequency depends on the particular fluid considered. For example, in a fluid ejector, the bipolar pulse may be switched about every 0.2 μs while the drive signal is applied for about 4 μs.
[0044]
Advantageously, bipolar pulse trains do not affect device operation because the force applied by the presence of the electric field E depends on the square of the electric field magnitude. FIG. 6 illustrates an electric field of constant strength generated by the bipolar pulse train of FIG.
[0045]
The electronics used to generate the drive signal may be incorporated on a printed wiring board that is mechanically separated from a print head housing comprising a plurality of fluid ejectors or an array of fluid ejectors. In such a case, it is necessary to supply individual electrical leads from the printed wiring board to each fluid ejector. FIG. 7 is a plan view illustrating one embodiment of a printhead assembly 1000 using this method. Thirteen fluid ejectors 1100 are shown in the center. Each fluid ejector 1100 includes a piston 1120 having a spring component 1122. Electrical traces 1200 from a plurality of bond pads 1300 at the edge of the printhead assembly 1000 provide an isolated electrical path to each individual piston 1120 through a spring component 1122. Of course, the printhead assembly 1000 is for illustration purposes only. Many variations are possible, including different sized arrays, etc., having different numbers of rows and columns than those shown.
[0046]
However, this method limits the packing density. For example, because there are design rules that govern the implementation of the bond pad 1300, such as minimum size and space constraints, the maximum mounting density is largely dependent on the shape of the bond pad connection to the individual fluid ejectors 1100. It is determined. This can be a substantial limitation on the size of the array that can be created.
[0047]
An alternative is to use a 2D matrix address technique, which is shown in FIG. In this method, there is one electronic “input” path for columns C1 and C2, and one electronic “output” path for rows R1, R2, R3, and R4. Each fluid ejector 1100 is controlled by a particular column and row being addressed. This method substantially halves the bond pad mounting density, which greatly relaxes the limitations in the foregoing method.
[0048]
A third alternative is to incorporate the main parts of the necessary control electronics into the print head instead of the printed wiring board. When such devices are assembled by silicon-based manufacturing techniques, the electronics can be fabricated on the same silicon chip as the printhead by an integrated process such as Sandia National Lab's IMEMS process. . IMEMS processing is described in US Pat. No. 5,783,340 to Farino et al., US Pat. No. 5,798,283 to Montague et al., Barron et al. et al.), US Pat. No. 5,919,548 to Baron et al., US Pat. No. 5,963,788 to Baron et al., the entire contents of which are hereby incorporated by reference. In this case, the electronics for controlling the address and firing of the individual fluid ejectors 1100 are built into the silicon base, so that the connections for controlling the functions present on the external printed wiring board are controlled. The number may be minimal.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a single fluid ejector electrostatically driven in accordance with the present invention.
FIG. 2 is a graph qualitatively showing an example of a drive signal according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a single fluid ejector according to the present invention including a position sensor.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a single fluid ejector according to the present invention that includes a timing mechanism.
FIG. 5 is a graph illustrating a waveform of a bipolar pulse train of a drive signal according to the present invention.
6 is a graph qualitatively illustrating a constant intensity electric field generated by the bipolar pulse train of FIG.
FIG. 7 is a plan view illustrating an embodiment of a printhead assembly that can be used with the present invention.
FIG. 8 illustrates a 2D matrix addressing technique for use with the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fluid ejector, 110 Substrate, 112 Fluid supply port, 120 Piston, 122 Spring component, 130 Fluid bath, 132 Spoiler, 140 Face plate, 142 Injection nozzle, 150 Drive signal source, 152 Drive signal, 160 Sensor, 170 Feedback mechanism, 180 control mechanism, 190 timing control.

Claims (1)

駆動部材と静止部材とを有する静電始動される装置と、
前記駆動部材に二極性駆動信号を印加し、前記駆動部材と前記静止部材との間に一定の電位差を有する静電場を発生させる駆動振動源と、を有する静電始動される装置を電気的に駆動させるシステムを備えた流体噴射器であって、
前記駆動部材の押圧面に対向するように前記静止部材に噴射器ノズルが形成され、
前記駆動部材の両端は、基板に接続された2つ以上のばね構造要素によってそれぞれ支持され、
前記駆動振動源によって前記静止部材をグランド電位に保ちつつ二極性駆動信号が前記駆動部材に印加されることによって、前記駆動部材が前記静止部材に向かって移動し、前記駆動部材と前記静止部材との間に存在する流体を前記噴射器ノズルより噴霧させることを特徴とする流体噴射器。
An electrostatically actuated device having a drive member and a stationary member;
The applied to the drive member of the bipolar drive signal, electrical devices that are electrostatically start having a driving vibration source for generating an electrostatic field having a constant potential difference between the stationary member and the drive member A fluid ejector comprising a system for driving
An injector nozzle is formed on the stationary member so as to face the pressing surface of the driving member,
Both ends of the drive member are each supported by two or more spring structural elements connected to the substrate,
A bipolar drive signal is applied to the driving member while the stationary member is kept at the ground potential by the driving vibration source, so that the driving member moves toward the stationary member, and the driving member, the stationary member, A fluid ejector characterized in that a fluid existing between the two is sprayed from the ejector nozzle.
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